Principios y escenarios de aplicación del almacenamiento de energía en volantes de inercia
El almacenamiento de energía con volante de inercia es una tecnología integrada, y su futura dirección de desarrollo es la alta velocidad, el rotor de material compuesto y la estructura de rotación interna y externa. El almacenamiento de energía con volante de inercia tiene amplias perspectivas de aplicación, pero actualmente se encuentra en la fase inicial de desarrollo del mercado. En la actualidad, el mercado mundial de almacenamiento de energía se caracteriza por su gran escala, rápida velocidad, muchas políticas y un mercado caliente.
La demanda china de almacenamiento de energía es enorme y urgente, y se encuentra en la fase inicial de desarrollo, desde la demostración hasta la comercialización. El gobierno chino cuenta con una serie de políticas de apoyo. El almacenamiento de energía mediante volantes de inercia es una tecnología mecánica de almacenamiento de energía de alta potencia, rápida respuesta, alta frecuencia y larga duración, con amplias perspectivas de aplicación.
Principio de funcionamiento y estructura del volante de inercia
Todo el dispositivo de almacenamiento del volante de inercia se encuentra en una carcasa cerrada, lo que proporciona un alto vacío para reducir la resistencia y proteger el sistema del rotor. El almacenamiento de energía con volante de inercia tiene las ventajas de una alta densidad de almacenamiento de energía, una alta eficiencia de conversión de energía (hasta 90%), el número de carga y descarga es independiente de la profundidad de carga y descarga, y no contamina. El sistema de volante de inercia desempeña un papel importante en el campo de los sistemas eléctricos (incluida la conexión a la red de energías renovables, la regulación de la frecuencia, etc.), los vehículos ferroviarios, los SAI, la industria aeroespacial y otros campos.
El sistema de almacenamiento de energía con volante de inercia consta principalmente de tres partes:
- Volante;
- Motor: motor + generador;
- Rodamientos: proporcionan un soporte de bajas pérdidas para el rotor.
Cuando el volante está cargado, el motor empieza a acelerar el volante, convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica para su almacenamiento. Cuando se necesita electricidad, la velocidad del volante disminuye, y la energía mecánica se convierte en energía eléctrica a través del generador para suministrar energía externa.
Características y ventajas e inconvenientes de la tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia
Características técnicas del volante de inercia
El almacenamiento de energía en volantes de inercia es una tecnología de almacenamiento de energía de alta potencia, larga duración y alta eficiencia. En comparación con otras tecnología de almacenamiento de energíaEl almacenamiento de energía con volante de inercia se caracteriza por una pérdida por fricción casi nula y una baja resistencia al viento. La potencia específica del almacenamiento de energía con volante de inercia puede alcanzar más de 8 kW/kg, muy superior a la de la tecnología tradicional de almacenamiento electroquímico de energía.
La vida útil del almacenamiento de energía en volante de inercia depende principalmente de la vida a fatiga del material del volante y de la vida útil de los componentes electrónicos del sistema. En la actualidad, la vida útil del volante de inercia puede alcanzar más de 2 millones de veces, y no se ve afectada por la profundidad de carga y descarga. No se producen sustancias nocivas durante el funcionamiento del almacenamiento de energía del volante de inercia y casi no se requiere mantenimiento durante el funcionamiento. Tiene una buena adaptabilidad a las condiciones de trabajo y el medio ambiente, y puede trabajar normalmente bajo -20 ~ 50 ℃.
Características técnicas y aplicaciones del almacenamiento de energía en volantes de inercia
| Ventajas técnicas | Alta densidad de potencia, alto rendimiento, larga vida útil, sin contaminación |
|---|---|
| Desventaja técnica | Baja densidad energética y alta tasa de autodescarga |
| Escenarios de aplicación | SAI, recuperación de energía, regulación de la frecuencia de la red eléctrica, regulación de picos en microrredes, etc. |
Ventajas e inconvenientes del almacenamiento de energía en volantes de inercia
Ventajas del volante de inercia
- Buenas características de potencia, velocidad de respuesta rápida, puede lograr carga y descarga de alta potencia a nivel de milisegundos, y alta fiabilidad;
- Alta eficacia, sin mantenimiento, sin pérdidas por fricción gracias al soporte de levitación magnética y con un largo ciclo de mantenimiento del sistema;
- Al no verse afectada por el número de descargas profundas repetidas, su vida útil suele ser superior a 20 años;
- La temperatura aplicable es amplia, las características de capacidad no se ven afectadas por las altas y bajas temperaturas, y la temperatura de trabajo es generalmente de -10 a +40 °C;
- Sin sustancias químicas, protección medioambiental ecológica, sin contaminación.
Desventajas del almacenamiento de energía en volantes de inercia:
- Dado que la velocidad del volante puede alcanzar entre 40.000 y 50.000 rpm, el volante suele ser de fibra de carbono y su coste es elevado;
- La duración de la liberación de energía es corta, generalmente sólo decenas de segundos, y la tasa de autodescarga es alta. Si se interrumpe la carga, la energía se perderá por completo en decenas de horas.
Análisis de las perspectivas de aplicación del almacenamiento de energía mediante volante de inercia
El almacenamiento de energía en volantes de inercia es adecuado para escenarios de alta potencia, respuesta rápida y alta frecuencia. Los mercados típicos son los SAI, el transporte ferroviario y la regulación de la frecuencia de la red eléctrica. En el futuro, habrá mercados emergentes como la carga de pilas y maquinaria de construcción.
Mercado SAI
Los centros de datos mundiales, las estaciones base de comunicaciones y las actividades importantes tienen necesidades claras de suministro eléctrico ininterrumpido. En la actualidad, se utiliza principalmente el modo combinado de batería química + generador diésel.
En comparación con las baterías químicas actuales, como Batería de litio del SAIEl almacenamiento de energía mediante volante de inercia tiene las ventajas de una respuesta más rápida, una gran potencia instantánea, un tamaño reducido y una larga vida útil, y es más adecuado para su uso con generadores diésel como fuentes de alimentación SAI.
Tránsito ferroviario
En la actualidad, la energía eléctrica recuperada por los trenes de metro que entran en la estación se consume mediante la disipación de calor por resistencia, lo que tiene el problema del despilfarro de recursos y el impacto en la red eléctrica.
El volante de inercia recupera la energía eléctrica cuando el tren entra en la estación y la libera cuando la abandona, con lo que se ahorra energía y se protege la red eléctrica. Varias estaciones de metro de Estados Unidos han demostrado el almacenamiento de energía en volantes de inercia, que puede ahorrar 20% de electricidad.
Mercado de regulación de frecuencia de la red eléctrica
La central eléctrica de modulación de frecuencia de volante de inercia es anterior a la central eléctrica electroquímica de modulación de frecuencia. Como dispositivo de almacenamiento de energía, el almacenamiento de energía mediante volante de inercia es diferente de los dispositivos generales de almacenamiento de energía. Se trata de un dispositivo de almacenamiento de energía y puede utilizarse para el suministro de energía a corto plazo.
El desequilibrio entre la generación y el consumo de energía en la red eléctrica hará que la frecuencia de la red fluctúe. Para suavizar esta fluctuación, es necesario dotar a la red eléctrica de una central eléctrica de modulación de frecuencia con 2% de la capacidad total de generación de energía.
En la actualidad, la regulación de frecuencia de la red eléctrica china corre a cargo principalmente de grupos electrógenos. En el futuro, la proporción de nueva energía que entre en la red aumentará, y la demanda de regulación de frecuencia de la red será mayor.
El almacenamiento de energía en volantes de inercia se caracteriza por su alta potencia, su rápida velocidad de respuesta y su gran capacidad de circulación. Puede compensar de forma rápida y eficaz la potencia activa/reactiva con los cambios de la red eléctrica, estabilizar las cargas fluctuantes, amortiguar los transitorios de salida de la generación de energía y mantener la frecuencia y la tensión de la red eléctrica. El almacenamiento de energía en volantes tiene buenas perspectivas de aplicación.
Almacenamiento de energía pila de carga de vehículos eléctricos
Diferente de cambio de batería, Las pilas de carga de vehículos eléctricos con almacenamiento de energía se utilizan principalmente en aplicaciones de alta potencia y carga rápida para vehículos eléctricos. Limitada por la capacidad del marco de red existente, la construcción de una estación de carga de vehículos eléctricos conlleva una serie de problemas, como el aumento de la capacidad de la red y el ajuste de la planificación urbana.
El sistema de pila de carga rápida de vehículos eléctricos de alta potencia con un enlace de almacenamiento de energía puede reducir la presión de la pila de carga sobre el aumento de capacidad de la red eléctrica. El volante de inercia de almacenamiento de energía de levitación magnética se utiliza como dispositivo de almacenamiento de energía, y el volante de inercia de almacenamiento de energía se utiliza completamente para carga lenta y descarga rápida, es decir, las características típicas de funcionamiento de carga de baja potencia y salida de alta potencia.
No sólo puede satisfacer los requisitos de carga rápida de los vehículos eléctricos, sino también evitar las limitaciones de la expansión de la capacidad de la red. Al mismo tiempo, dado que el volante de inercia de almacenamiento de energía tiene una alta densidad de potencia, un tamaño reducido, una disposición flexible, una protección medioambiental ecológica y no contamina, puede disponerse bajo tierra, lo que elimina el impacto de la construcción de estaciones de carga en el aspecto de la ciudad y reduce la presión de las obras de construcción urbana.
Estado actual de la aplicación del almacenamiento de energía mediante volante de inercia en el mundo
El umbral técnico del sistema de almacenamiento de energía de volante de inercia es relativamente alto, y aún quedan algunos problemas urgentes por resolver en la tecnología de estructura de material compuesto, la tecnología de cojinetes magnéticos y la tecnología de motores de alta velocidad y alto rendimiento en vacío. La alta velocidad, el rotor de material compuesto, la estructura giratoria externa fija interna es la futura dirección de desarrollo. Las empresas chinas dominan básicamente la tecnología de volantes de aleación, pero existe un claro desfase con respecto a los países extranjeros en diseño estructural, volante de rotor de material compuesto y otros aspectos.
La tecnología de almacenamiento de energía mediante volantes de inercia ya se exploró en Norteamérica en las décadas de 1950 y 1960. Nació un escenario de aplicación comercial con una demanda relativamente rígida y un modelo de beneficios claro, a saber, la aplicación de la regulación de frecuencia de la red eléctrica. Se han creado tecnologías y productos estables y maduros, que han resistido la prueba de la explotación comercial, y ha surgido una empresa líder en el sector del almacenamiento de energía en volantes de inercia.
En Canadá, Temporal Power ha invertido hasta 35 millones de dólares canadienses en I+D. Beacon Power, de Estados Unidos, ha invertido hasta 250 millones de dólares en diversos tipos de investigación y desarrollo. La característica técnica común de las dos empresas es que se desarrollan, diseñan y fabrican para la aplicación comercial de la regulación de frecuencia de la red eléctrica.
China lleva décadas desarrollando de forma independiente la tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia, basándose principalmente en la investigación teórica de varias universidades. En la actualidad, hay cerca de diez fabricantes de equipos de almacenamiento de energía con volante de inercia en China que llevan a cabo actividades de investigación y desarrollo de equipos de almacenamiento de energía con volante de inercia, y no hay muchas aplicaciones de ingeniería que se hayan desplegado. En 2022, el almacenamiento de energía con volante de inercia se calentará gradualmente, y toda la industria estará en estado de exploración hasta que se conecte a la red un proyecto de almacenamiento de energía con volante de inercia de referencia y ejemplar.
El equipo de almacenamiento de energía de volante de inercia es un equipo mecatrónico basado en la fabricación de precisión y la integración multidisciplinar. Su principal cuello de botella radica en la capacidad de producción a gran escala de alta calidad y estabilidad. En la actualidad, la mayoría de las tecnologías/productos de producción de volantes de inercia en China se encuentran todavía en la fase de producción de prototipos de prueba, y aún queda un largo camino por recorrer antes de la producción a gran escala.
Desde una perspectiva global, la aplicación del almacenamiento de energía en volantes de inercia en la red en el campo de la regulación de frecuencia está madura. En 2011, se conectó a la red la primera central eléctrica comercial de regulación de frecuencia con almacenamiento de energía en volantes de inercia, que lleva en funcionamiento más de diez años. En 2014 se conectó a la red la primera central eléctrica comercial de regulación de frecuencia con almacenamiento de energía en volantes de inercia de Canadá, que sigue prestando servicios auxiliares de regulación de frecuencia a la red eléctrica local.
Conclusión
Entre las muchas tecnologías de almacenamiento de energía, los sistemas de almacenamiento de energía por volante de inercia han recibido mucha atención debido a su alta eficiencia, gran capacidad, rápida respuesta y respeto al medio ambiente. Como tecnología de almacenamiento de energía gradualmente madura, el sistema de almacenamiento de energía en volantes de inercia se ha aplicado a los campos de los vehículos eléctricos y la energía eléctrica, sustituyendo gradualmente al almacenamiento de energía en baterías químicas, y se ha convertido en una fuerza que no se puede ignorar en la industria del almacenamiento de energía.
La reserva técnica de almacenamiento de energía en volantes de inercia en China se ha completado básicamente, y se encuentra en la fase inicial de comercialización. Se han promovido proyectos de demostración en los campos del SAI de alta potencia, la regulación de la frecuencia de la red eléctrica y la recuperación de energía cinética.
1 thoughts on "Principles and application scenarios of flywheel energy storage"
¡La tecnología de almacenamiento de energía en volantes de inercia es realmente fascinante! 🚀⚡ Al almacenar eficientemente la energía cinética mediante la rotación a alta velocidad, ofrece tiempos de respuesta rápidos y una gran potencia de salida, por lo que resulta ideal para aplicaciones como los sistemas SAI y el tránsito ferroviario. La capacidad de recuperar energía durante las paradas del metro y liberarla cuando se necesita no solo ahorra electricidad, sino que también ayuda a mantener la estabilidad de la red. 🌍🔋 Con su larga vida útil y su mínimo impacto ambiental, los sistemas de volante de inercia están allanando el camino hacia un futuro más ecológico en el almacenamiento de energía. Estamos impacientes por ver cómo evoluciona esta tecnología y se expande a más mercados.
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